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RÉSUMÉ
Les centrales thermiques permettent de transformer de l’énergie chimique contenue dans un combustible (charbon, fioul ou gaz) ou de l’énergie nucléaire, en chaleur, puis en énergie mécanique, puis en électricité. Cet article reprend tout d’abord quelques rappels sur la thermodynamique des moteurs. Il s’attarde ensuite à présenter le fonctionnement des installations motrices des centrales thermiques (turbines à gaz et installations à vapeur). Pour terminer, une solution de couplage est proposée pour optimiser les rendements.
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Lire l’articleAuteur(s)
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André LALLEMAND : Ingénieur INSA, Docteur ès sciences physiques - Ancien professeur des universités - Ancien directeur du département de génie énergétique Institut national des sciences appliquées (INSA) de Lyon, Lyon, France
INTRODUCTION
La production d’électricité à des niveaux de puissance importants, plusieurs centaines de mégawatts, est faite à partir de la transformation de l’énergie chimique contenue dans un combustible (charbon, fioul ou gaz) ou de l’énergie nucléaire, en chaleur, puis en énergie mécanique, puis en électricité. La conversion mécanique-électrique est du ressort des alternateurs, la conversion thermique-mécanique est l’œuvre des installations motrices à vapeur (IMV) ou des turbines à gaz (TAG), dites encore turbines à combustion (TAC). La transformation de l’énergie chimique en énergie thermique a lieu dans le générateur de vapeur (GV) des IMV ou dans le foyer de l’installation pour les TAC.
La compréhension basique du mode de fonctionnement de ces systèmes nécessite de faire un retour sur les notions de thermodynamique appliquée qui mettent en jeu les bilans énergétiques, les bilans entropiques et les cycles d’évolution du fluide utilisé comme fluide thermodynamique ou de travail : eau dans le cas des IMV, air, carburant et fumées dans le cas des TAC.
Ce sont ces divers rappels de base, complétés par la description et l’analyse du fonctionnement des systèmes classiques, que nous proposons de faire dans les deux premières parties de cet article. La troisième est réservée à un couplage des deux systèmes, couplage qui permet d’atteindre les meilleurs rendements.
Cet article n’ayant pas la prétention d’être exhaustif, on restera au niveau des principes dans toutes les présentations. Le lecteur est renvoyé à des articles spécialisés des Techniques de l’Ingénieur pour avoir des informations techniques plus précises sur ces machines thermiques.
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MOTS-CLÉS
turbines à combustion principes de thermodynamique cycles combinés installations motrices à vapeur cycles moteurs
VERSIONS
- Version archivée 1 de févr. 2005 par André LALLEMAND
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Centrales à cycles combinés
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2. Installations motrices des centrales thermiques
Pratiquement, un cycle de Carnot (figure 6) est très difficile à concrétiser, puisqu’il s’agirait de réaliser des échanges thermiques Q 12 et Q 34 à température rigoureusement constante tout en diminuant la pression d’une part et en l’augmentant d’autre part. Industriellement, les transferts de chaleur se font à pression constante (ou sensiblement constante) dans des échangeurs de chaleur ou dans des foyers où se développe une combustion. En revanche, les deux isentropes sont plus faciles à concevoir, puisqu’elles correspondent à des évolutions (détente 2-3 et compression 4-1) adiabatiques réversibles (pour éviter la création d’entropie). Cependant, elles ne peuvent pas être réalisées strictement, puisque, en pratique, les irréversibilités sont inévitables.
Ainsi, deux types de cycles, différents du cycle de Carnot mais respectant les impératifs techniques, sont mis en œuvre dans les centrales thermiques électrogènes : le cycle de Joule et ses dérivés ; le cycle de Rankine et ses dérivés. Les moteurs thermiques Diesel, qui ne sont pas utilisés dans le cas des centrales électrogènes de grande puissance, ne seront pas présentés dans la suite de cet article.
2.1 Turbines à gaz
Si l’on admet que l’apport de chaleur et la perte thermique doivent être réalisés dans des échangeurs, à pression constante, le cycle de base d’une turbine à gaz doit comporter deux portions d’isobares 1-2 et 3-4 (figure 7) à des niveaux de pression P 1 = P 2 et P 3 = P 4 différents et deux isentropes au cours desquelles ont lieu une compression 4-1 et une détente 2-3. Notons que, pour chauffer le fluide entre 1 et 2 (quantité de chaleur Q 12), il faut disposer d’une source de chaleur dont la température atteigne au moins la valeur T M = T 2. De même, pour refroidir le fluide thermodynamique (Q 34), il faut disposer d’un puits thermique dont la température soit au plus T...
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Installations motrices des centrales thermiques
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Thermodynamique appliquée. Premier principe. Énergie. Enthalpie.
-
Thermodynamique appliquée. Bilans entropiques et exergétiques.
-
Propriétés thermodynamiques des fluides.
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